Спросите Итана: правда ли, что получено доказательство существования нового, пятого взаимодействия?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/06/11/ask-ethan-is-there-really-evidence-for-a-new-fifth-force/#6965358a6965
  • Перевод
image
Модель ускорителя, использовавшегося для бомбардировки лития в ключевом эксперименте. Находится на входе в Институт ядерных исследований в Венгерской академии наук.

Стандартная модель физики элементарных частиц – частицы и их взаимодействия, описывающие всё, что мы когда-либо создали или столкнули в лаборатории – удивительно хорошо справляются с предсказанием всего, что видно в наших экспериментах. От материи до антиматерии, от синтеза до расщепления, от безмассовых до самых тяжёлых частиц – эти фундаментальные правила прошли все экспериментальные проверки. Но возможно, в следах радиоактивного распада скрывается неожиданное явление. Наш читатель из Венгрии хочет знать:
Новости по поводу открытия пятого взаимодействия у нас в Венгрии очень широко освещаются. Мне было бы интересно узнать вашу точку зрения по этому поводу. Думаете ли вы, что это правда, или относитесь к этому скептически?

Если вы встречали сообщения об открытии пятого взаимодействия, то эксперимент, о котором идёт речь, основан на чрезвычайно нестабильном изотопе: бериллий-8.

image

Если говорить о составляющей нас материи, то самой важной частью головоломки, вероятно, будет этот изотоп. Наше Солнце, и почти все звёзды, получают энергию, синтезируя гелий из водорода, в частности – гелий-4, с двумя протонами и двумя нейтронами. На поздних стадиях жизни ядро Солнца, заполненное гелием, будет сжиматься и разогреваться, и пытаться создавать ещё более тяжёлые элементы. Если соединить два ядра гелия-4, можно получить ядро с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами: бериллий-8. Единственная проблема состоит в чрезвычайной нестабильности бериллия-8, который через 10-17с распадается обратно на два гелия-4. Только в ядрах красных гигантов плотность материи достаточно высока для того, чтобы можно было вовремя подогнать третье ядро гелия-4 и создать углерод-12, и успешно строить всё более тяжёлые элементы.

image

А иначе, как во всех лабораторных экспериментах, бериллий-8 просто распадается обратно на два ядра гелия. Но наши экспериментальные технологии весьма хитроумны, и даже в короткие моменты его жизни мы можем не только создать бериллий-8 другим путём (бомбардируя литий-7 протонами), но и создать его в возбуждённом состоянии, в котором перед распадом он испустит высокоэнергетический фотон. Этот фотон будет обладать достаточной энергией, чтобы суметь распасться на пару электрон/позитрон – что происходит со всеми фотонами достаточно больших энергий. Измеряя относительный угол между электроном и позитроном, вы ожидаете, что он будет тем меньше, чем больше была энергия фотона. Это следует из законов сохранения энергии и импульса, с примесью небольших случайных величин, зависящих от ориентации распада.

image

Но венгерская команда под началом Атиллы Краснахоркай обнаружила вовсе не это. С увеличением угла доля электронов и позитронов должна уменьшаться. Но учёные обнаружили неожиданное относительное увеличение при угле разлёта в 140º, что может означать многое. К примеру:

• Ошибка в эксперименте, когда измеряется не сигнал, а что-то другое.
• Ошибка анализа, когда применяют неправильный срез (вы решаете, какие данные стоит оставить, а какая информация будет бесполезным загрязняющим шумом, от которого необходимо избавиться).
• Если результат надёжный, это может говорить о существовании новой частицы: либо композитной, состоящей из частиц стандартной модели, либо, что интереснее, полностью новой, фундаментальной.

Данные кажутся весьма неплохими. Конечно, та же венгерская команда объявляла об открытии «неровностей» в распадах возбуждённого бериллия-8, но не с такой степенью значимости – 1 шанс из 1011 на то, что это статистическая случайность (6,8-σ) – и не с таким количеством событий: сотни событий во многих каналах поверх фона. Только массивная нестабильная частица распадалась бы с другим углом разлёта, нежели безмассовые частицы (фотоны), ожидаемые в этом эксперименте – и это пока главное объяснение «неровности» графика на угле в 140º. Если это окажется правдой. Краснахоркай выражает большую уверенность в своём результате, измеренном при помощи оборудования, основательно обновлённого по сравнению с их предыдущими экспериментами.

image

Результат может и не оправдаться; возможно, его не получится воспроизвести; это может быть ошибкой эксперимента. Это лучшая часть, но и одновременно груз научной работы: даже самые надёжные и прорывные результате необходимо подтвердить независимо. Но если это новая частица, это может изменить всё. Энергия покоя частицы — 17 МэВ/c2 — весьма интересна. Её спин равен 1, что говорит о том, что это бозон (или нечто подобное). Она перемещается на достаточно большое расстояние для того, чтобы измерить её время жизни, 10-14 секунд – что говорит нам о том, что это слабый, а не электромагнитный, распад – то есть, это не связанное состояние лептонов. Это не может быть комбинация двух кварков, поскольку она слишком лёгкая – в ином случае она должна была бы быть раз в 10 тяжелее. Если это реальная частица, это, скорее всего, какой-то совершенно новый тип частиц, не входящий в Стандартную модель.

image

Такое объяснение подходит ко всему:

• Оно привело бы к появлению именно такого угла разлёта (140º) продуктов распада, из-за отношения её массы покоя к массам электрона и позитрона, на которые она распадается.
• Оно дало бы нам первый выход за пределы Стандартной модели, который, по нашему мнению, должен существовать, и который мы до сих пор не нашли.
• В потенциале она могла бы даже объяснить аномальное значение магнитного момента мюона, более тяжёлого родственника электрона.

Но это только если частица реально существует. Результат в 6,8-σ был бы захватывающим в случае слепого анализа, но команда учёных специально искала частицу такого типа. В науке существует история обнаружений именно того, что искали учёные, даже когда на самом деле этого не существовало. Фокке де Боер – проводивший эти эксперименты до Краснахоркай – обнаружил такие частицы, но так и не смог подтвердить и воспроизвести свои результаты.

image

Мы знаем, что за пределами Стандартной модели должна существовать новая фундаментальная физика, новые частицы и новые взаимодействия, и возможно, в этом эксперименте был обнаружен первый намёк на это. Но, отвечая на вопрос читателя, я одновременно и скептически отношусь к результатам, и могу представить себе, что они реальны. Таким же качеством отличались как открытие нейтрино, перемещавшегося быстрее света на OPERA, так и открытие бозона Хиггса в экспериментах CMS/ATLAS. Только время и дополнительные исследования определят, какого типа окажется этот новый результат, в потенциале способный оказаться частицей тёмной материи.
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 23
  • –1
    Всё-таки Итан тот ещё болтун. По-русски можно было ответить всего двумя буквами — ХЗ =)
    Хотя, конечно, 6.8 сигм это вполне себе достоверный результат, значительно лучше притянутого за уши Хиггса.
    • +2
      «иногда лучше жевать, чем говорить»
      • +1
        «сигмы» — это не достоверность в бытовом понимании. 6.8 сигм означает лишь то, с какой вероятностью эффект мог бы быть простым совпадением в том случае, если все этапы эксперимента, обработки и анализа данных были проведены без ошибок.
        В бытовом плане Бозон Хиггса выглядит достовернее т.к. за ним больше исследований и проверок.
      • 0
        В потенциале она могла бы даже объяснить аномальное значение магнитного момента мюона, более тяжёлого родственника электрона.

        Нельзя ли для несмысленышей пояснить смысл, в котором здесь употреблено слово «потенциал»?
      • +3
        А где тут хоть слово про пятое взаимодействие?
        • +1
          Речь идет об обнаружении нового бозона же. Новый бозон это новое поле. Если подтвердится, конечно.
          • +1
            Неочевидно, например W- и Z-бозоны оба являются переносчиками слабого взаимодействия.
            • 0
              Вполне очевидно, если знать теорию. Последним «предсказанным» бозоном был бозон Хиггса. Если кратко: новый бозон стандартной моделью не предусмотрен. А для данного кандидата уже даже некоторые характеристики поля известны.
              • 0
                А вариант, в котором появляется новый бозон, но относящийся к одному из известных взаимодействий, невозможен? (да, это тоже получится выход из стандартной модели, но без введения нового взаимодействия)
                • +1
                  Я не физик, могу ошибаться, но нет, не может просто взять и появиться, и очень долго объяснять почему. У каждого поля есть характеристики, которые обсуловлены в свою очередь характеристиками его «переносчиков» и наоборот. Характеристики частицы зависят от спина, энергии и т.д. Соответственно, например, у поля может быть еще один гипотетический переносчик, но он будет распадаться раньше чем успеет что-либо сделать, пробег будет меньше эффективного расстояния поля. Это очень грубое приближение, т.к. для известных полей известны их переносчики и других быть не может. Это очень сложная и интересная область физики, но любые объяснения отнимают тонну времени. Начните с квантовой хромодинамики, может вам понравится.
                  • –1
                    «Не знаю, но отвечу»?
                    • +3
                      Я с точки зрения математики знаю как теория групп помогла «нарушить» электрослабую симметрию. А вот непосредственно физику процессов наивно объяснить не смогу.
        • +2
          Какой-то уж слишком кухонный эксперимент. Где тэвы энергии, миллиадры потраченных евро. Сомнительным выглядит обнаружение новой физики в такой низкоэнергетической области, которая не проявляла себя как-то иначе до сих пор. Это как обнаружить новое простое число на отрезке от 1 до 100, раньше никем не замеченное.
          • 0
            Сомнительным выглядит обнаружение новой физики в такой низкоэнергетической области

            А может быть и нет. Если что-то есть на низких энергиях… А все ищут на высоких ну тренд сегодня такой.
            А кто-то решил поискать на низких. И ускорители быстро пролетели этот рубеж и пошли дальше. А обработка биг даты с ускорителей тоже сейчас в основном в высоких энергиях. Может и стоит построить максимально навороченный ускоритель для детального исследования низких энергий может что и найдем.
            Может там прячется что-то очень интересное типа поля антигравитации )
            чтобы наконец-то сделать ховерборд )
            И цена будет не очень высокой. Энергии то низкие.
            Тоже интересно а все ли комбинации кварков возможны? 2,3,4,5?
            • –1
              Для активации какого-либо ядерного явления требуется какая-то минимальная энергия. Если энергия больше, явление становится более заметным. Поэтому сомнительно, если нечто новое не было до сих пор замечено на высоких энергиях и было открыто на низких.

              Открытия могут быть и в нижней части энергетического спектра. Пример — наблюдение осцилляций нейтрино. Но, чёрт побери, тут тоже нужны десятки и сотни миллионов денег. Энергия хоть и низкая, но бюджет всё равно высокий. Поэтому доказательством достоверности исследований сегодня служит израсходованная сумма.

              Что значит «комбинация кварков». Весь вопрос в массе и времени жизни этой комбинации. Я не очень знаком с этой областью, но так понимаю, что предсказывать соответствующие массы и времена жизни адронов толком в КХД никто не может. Никакого фундаментального запрета на различные комбинации кварков-антикварков нет, не считая целого электрического заряда.
              • –6

                Бляааа… Скажите место где хоть с Вами рядом постоять!

                • +2
                  С Итаном? Переводчиком? Комментаторами? Венгерскими учеными?
                • –2
                  Мы знаем, что за пределами Стандартной модели должна существовать новая фундаментальная физика

                  Кому должна?

                  • 0
                    Модель ускорителя, использовавшегося для бомбардировки лития в ключевом эксперименте.

                    Эм-м-м… это какой-то высоковольтный аппарат, который мог быть использован для питания ускорителя. Но не он.
                    • 0
                      может компонент вошедший случайно в эту хитроумную установку, случайно залетевший так компонирует, не всё же в чистом виде же воплощено, примесь азота или кислорода…
                      • 0
                        Оно дало бы нам первый выход за пределы Стандартной модели, который, по нашему мнению, должен существовать, и который мы до сих пор не нашли.

                        А как же нейтринные осцилляции? Они требуют массивных нейтрино, выходящих за рамки стандартной модели.
                        • 0
                          Правильный выбор.

                          О потребности исследовать закономерности распада бериллия-8 давно писали,
                          лет 30 назад, даже в популярной литературе.
                          .
                          Думаю, венгры избрали этот путь по причине отсутствия средств на более масштабные ( энерго-, машино-
                          и человеко- затратные ) исследования

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                          Самое читаемое